大量級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)分析與應(yīng)用研究

戴秀芬+黃凱+袁杰+王劍

摘 要：在航空航天產(chǎn)品的驗(yàn)收和鑒定試驗(yàn)中，經(jīng)常遇到振動(dòng)時(shí)間短、量級(jí)大的振動(dòng)條件，正確地把產(chǎn)品、振動(dòng)條件、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備融合到最佳狀態(tài)是保證試驗(yàn)結(jié)果可靠性的重要一環(huán)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)試驗(yàn)；大量級(jí)振動(dòng)條件；最佳試驗(yàn)狀態(tài)

引言

振動(dòng)試驗(yàn)是力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)中的一種，它是在實(shí)驗(yàn)室模擬產(chǎn)品周轉(zhuǎn)、貯存和使用中各種振動(dòng)環(huán)境，以驗(yàn)證產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的有效方式。

在航空航天產(chǎn)品的驗(yàn)收和鑒定試驗(yàn)中，經(jīng)常遇到振動(dòng)時(shí)間短、量級(jí)大的振動(dòng)條件，此類(lèi)振動(dòng)試驗(yàn)不僅對(duì)控制精度要求非常高，而且對(duì)設(shè)備的損傷也很大，為了能順利可靠地完成此類(lèi)試驗(yàn)，就需要檢測(cè)人員根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)條件，運(yùn)用和處理好試驗(yàn)設(shè)備，做好大量級(jí)試驗(yàn)的一切細(xì)節(jié)工作。

1 儀器設(shè)備的選擇

1.1 振動(dòng)臺(tái)的選擇

（1）隨機(jī)振動(dòng)中隨機(jī)推力的計(jì)算

式中：Fr為隨機(jī)推力；

Σm為振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的質(zhì)量、夾具和產(chǎn)品質(zhì)量的總和；

arms為隨機(jī)振動(dòng)的加速度總均方根。

總均方根值的計(jì)算方法：隨機(jī)振動(dòng)功率譜均方根值是其譜密度曲線下的總面積的開(kāi)方。

工程上功率譜總均方根值arms的計(jì)算公式為

式中： f1為試驗(yàn)規(guī)范譜的起始頻率（Hz）；

f2為試驗(yàn)規(guī)范譜的終止頻率（Hz）；

Gpsd（f）為試驗(yàn)規(guī)范譜的幅值（g2/Hz）。

根據(jù)式1-1計(jì)算出需要的推力，然后盡可能選擇比計(jì)算結(jié)果大1.5倍以上推力的振動(dòng)臺(tái)。有些振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)臺(tái)推力只能達(dá)到滿(mǎn)推力的70%（要看設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)），最好再乘以0.9的安全系數(shù)。

（2）正弦振動(dòng)各參數(shù)關(guān)系

正弦振動(dòng)的大小通常可用振動(dòng)參數(shù)如頻率、位移、速度和加速度不同量值來(lái)表征，只要是正弦振動(dòng)規(guī)律，各參量就有固定的數(shù)學(xué)關(guān)系。

式中 am為最大加速度（g），g=9.8m/s2；

Xm為最大位移（亦稱(chēng)單振幅位移）（mm）；

Vm為最大速度（m/s）；

f為頻率（Hz）。

如果是正弦掃描振動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)的選擇一定要考慮到低頻段最大幅值的制約，不因臺(tái)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能造成超位移的情況；最大速度的制約，因?yàn)榻辉近c(diǎn)容易超速度的情況；最大加速度的制約。

1.2 振動(dòng)儀的選擇

正弦振動(dòng)控制儀的選取一般根據(jù)要求考慮頻率范圍、交越點(diǎn)數(shù)目、掃描速率范圍、掃描方式等均能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求即可。

選擇隨機(jī)振動(dòng)控制儀時(shí)，振動(dòng)譜動(dòng)態(tài)范圍，功率譜均衡精度和回路時(shí)間是很重要的技術(shù)指標(biāo)，尤其是振動(dòng)譜的動(dòng)態(tài)范圍是決定隨機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)控制能力的指標(biāo)，直接影響著功率譜的均衡精度。因大量級(jí)振動(dòng)要求從起振到進(jìn)入規(guī)定量級(jí)容差范圍的過(guò)渡時(shí)間盡可能短，這就要求隨機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng)具有快速“均衡”的能力。

1.3 傳感器的選擇

優(yōu)先選擇靈敏度小、精度高、穩(wěn)定性好的傳感器（如丹麥或PCB傳感器），其目地都是為了減小設(shè)備的輸出，避免造成功放過(guò)電流或者超電壓的情況，同時(shí)也避免低頻段曲線飄和高頻段控制超差的問(wèn)題。

2 安裝和固定

2.1 產(chǎn)品、夾具的安裝和固定

產(chǎn)品和夾具應(yīng)考慮螺釘固定，連接時(shí)螺栓緊固最好采用測(cè)力扳手，扭轉(zhuǎn)力矩根據(jù)振動(dòng)臺(tái)使用說(shuō)明書(shū)決定。扭轉(zhuǎn)力矩太大會(huì)損壞振動(dòng)臺(tái)的螺紋孔；扭轉(zhuǎn)力矩太小固定不緊。如果振動(dòng)臺(tái)使用說(shuō)明書(shū)未給出這樣的數(shù)據(jù)，則可以使用彈簧墊圈，以彈簧墊圈壓平為緊固的標(biāo)準(zhǔn)。不推薦從機(jī)加工中移植過(guò)來(lái)的“壓板”安裝，螺釘比壓接有更高的諧振頻率，“壓板”安裝可能引起的諧振頻率與螺接安裝可能引起的諧振頻率之比是1：（10～100）。

若固定在水平滑臺(tái)上則應(yīng)盡量遠(yuǎn)離動(dòng)圈安裝。經(jīng)試驗(yàn)得出：當(dāng)負(fù)載分別安裝在水平臺(tái)的遠(yuǎn)端和水平臺(tái)的近端（相對(duì)振動(dòng)臺(tái)而言），兩個(gè)平面圖的試驗(yàn)量級(jí)如果都是均方根值為50m/s2（20～2000）Hz的平直隨機(jī)譜，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)載在遠(yuǎn)端（有效值電壓是0.2V）勝過(guò)在近端（有效值電壓是0.5V）的驅(qū)動(dòng)電壓。這個(gè)試驗(yàn)使我們得出：在最大隨機(jī)試驗(yàn)等級(jí)時(shí)，借助試件的安裝位置和控制加速度計(jì)在滑臺(tái)上合適的安裝位置，就可以達(dá)到二比一的好處。

2.2 控制傳感器的安裝

控制傳感器的安裝應(yīng)在控制點(diǎn)上，控制點(diǎn)應(yīng)選擇固定點(diǎn)或盡量靠近固定點(diǎn)并固定點(diǎn)剛性連接，可以選在試件與夾具的分離面上，也可以在夾具與振動(dòng)臺(tái)的分離面上。選在試件與夾具分離面上比較合理，排除了夾具對(duì)振動(dòng)傳遞造成的影響。

控制傳感器的安裝是極其重要的，安裝方式可以用螺釘固定，為了防止干擾通常在傳感器下面加上絕緣片，也可以用502膠水粘接，粘接不破壞夾具與臺(tái)面，但連接強(qiáng)度不如螺接，振動(dòng)量級(jí)不太大（小于20g）時(shí)可以使用。傳感器安裝好之后，將導(dǎo)線連接好，并將導(dǎo)線用膠布固定試件或夾具上，避免導(dǎo)線頭和傳感器產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（當(dāng)導(dǎo)線頭與傳感器有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生干擾，而且導(dǎo)線容易松動(dòng)）。

3 試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控

在大量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)中，試驗(yàn)量級(jí)的施加與均衡要監(jiān)控整個(gè)過(guò)程，特別要注意以下幾個(gè)方面：

（1）控制曲線是否正常，是否出現(xiàn)超差現(xiàn)象。控制譜容量的設(shè)置一般應(yīng)按試驗(yàn)條件要求設(shè)置，可以全頻段只設(shè)一種，也可以分頻段設(shè)置不同值。如果試驗(yàn)條件沒(méi)給出容差要求，推薦使用譜容差為：報(bào)警極限±3dB，中止極限±6dB。

（2）觀察總均方根加速度的實(shí)際值與目標(biāo)值，一般情況下實(shí)際值會(huì)偏大。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總均方根值加速度的容差為10%，如果目標(biāo)加速度到滿(mǎn)量級(jí)，實(shí)際控制的量級(jí)超了容差，則視為過(guò)試驗(yàn)。所以增加量級(jí)的時(shí)候不能盲目地加到滿(mǎn)量級(jí)，盡可能用手動(dòng)模式，不能讓實(shí)際控制量級(jí)超過(guò)規(guī)定量級(jí)的10%以上。

（3）觀察功率放大器的電流和電壓，手動(dòng)模式接近滿(mǎn)量級(jí)的時(shí)候，如果功率放大器接近滿(mǎn)負(fù)荷，電流和電壓波動(dòng)會(huì)較大，此時(shí)均衡時(shí)間要足夠保證電流、電壓穩(wěn)定，但是均衡時(shí)間不能超過(guò)總試驗(yàn)時(shí)間的10%。然后再增加量級(jí)，增加梯度要小。

（4）特別是航天產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間短，且不能重復(fù)試驗(yàn)，所以要及時(shí)保存曲線（尤其是監(jiān)測(cè)曲線）以供備份，防止大量級(jí)造成傳感器振掉后無(wú)法給出真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

何謂試驗(yàn)，試驗(yàn)是產(chǎn)品及試驗(yàn)方法加上檢測(cè)人員、試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試裝置的綜合體，缺一不可。大量級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)在整個(gè)過(guò)程中，檢測(cè)人員必須根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、結(jié)合試驗(yàn)條件嚴(yán)密而正確地控制試驗(yàn)進(jìn)行的全過(guò)程，只有這樣方可順利、安全、可靠地完成試驗(yàn)，從而達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：戴秀芬（1964-），女，上海人，學(xué)歷：大專(zhuān)，工作單位：上海無(wú)線電設(shè)備研究所，工程師，研究方向：環(huán)境與可靠性試驗(yàn)。